Unha visión xeral
No proceso de fabricación de circuítos integrados, a fotolitografía é o proceso central que determina o nivel de integración dos circuítos integrados. A función deste proceso é transmitir e transferir fielmente a información gráfica do circuíto desde a máscara (tamén chamada máscara) ao substrato do material semicondutor.
O principio básico do proceso de fotolitografía é utilizar a reacción fotoquímica do revestimento fotográfico revestido na superficie do substrato para rexistrar o patrón do circuíto na máscara, conseguindo así o propósito de transferir o patrón do circuíto integrado desde o deseño ao substrato.
O proceso básico da fotolitografía:
En primeiro lugar, a fotoresistencia aplícase na superficie do substrato mediante unha máquina de revestimento;
A continuación, utilízase unha máquina de fotolitografía para expoñer o substrato revestido de fotorresistente, e o mecanismo de reacción fotoquímica úsase para rexistrar a información do patrón de máscara transmitida pola máquina de fotolitografía, completando a transmisión de fidelidade, a transferencia e a replicación do patrón de máscara ao substrato;
Finalmente, utilízase un revelador para desenvolver o substrato exposto para eliminar (ou reter) o fotorresistente que sofre unha reacción fotoquímica despois da exposición.
Segundo proceso de fotolitografía
Para transferir o patrón de circuíto deseñado na máscara á oblea de silicio, primeiro debe conseguirse a transferencia mediante un proceso de exposición e, a continuación, o patrón de silicio debe obterse mediante un proceso de gravado.
Dado que a iluminación da área de proceso de fotolitografía usa unha fonte de luz amarela á que os materiais fotosensibles son insensibles, tamén se denomina área de luz amarela.
A fotolitografía utilizouse por primeira vez na industria da impresión e foi a tecnoloxía principal para a fabricación de PCB inicial. Desde a década de 1950, a fotolitografía converteuse gradualmente na tecnoloxía principal para a transferencia de patróns na fabricación de IC.
Os indicadores clave do proceso de litografía inclúen resolución, sensibilidade, precisión de superposición, taxa de defectos, etc.
O material máis crítico no proceso de fotolitografía é a fotoresist, que é un material fotosensible. Dado que a sensibilidade do fotorresistente depende da lonxitude de onda da fonte de luz, son necesarios diferentes materiais fotorresistentes para procesos de fotolitografía como a liña g/i, 248 nm KrF e 193 nm ArF.
O proceso principal dun proceso típico de fotolitografía inclúe cinco pasos:
-Preparación da película base;
-Aplicar fotoresist e hornear suavemente;
-Aliñamento, exposición e cocción posterior á exposición;
-Desenvolver película dura;
-Detección de desenvolvemento.
(1)Preparación de película base: principalmente limpeza e deshidratación. Debido a que calquera contaminante debilitará a adhesión entre a fotorresistente e a oblea, unha limpeza exhaustiva pode mellorar a adhesión entre a oblea e a fotoresistencia.
(2)Revestimento fotorresistente: Isto conséguese facendo xirar a oblea de silicio. Os diferentes fotorresistentes requiren diferentes parámetros do proceso de revestimento, incluíndo a velocidade de rotación, o grosor do fotorresistente e a temperatura.
Cocción suave: a cocción pode mellorar a adhesión entre o fotorresistente e a oblea de silicio, así como a uniformidade do grosor do fotorresistente, o que é beneficioso para o control preciso das dimensións xeométricas do proceso de gravado posterior.
(3)Aliñación e exposición: O aliñamento e a exposición son os pasos máis importantes do proceso de fotolitografía. Refírense a aliñar o patrón da máscara co patrón existente na oblea (ou o patrón da capa frontal) e irradialo con luz específica. A enerxía luminosa activa os compoñentes fotosensibles do fotorresistente, transferindo así o patrón da máscara ao fotorresistente.
O equipo utilizado para o aliñamento e a exposición é unha máquina de fotolitografía, que é a peza individual máis cara do equipo de proceso de todo o proceso de fabricación de circuítos integrados. O nivel técnico da máquina de fotolitografía representa o nivel de avance de toda a liña de produción.
Cocción posterior á exposición: refírese a un curto proceso de cocción despois da exposición, que ten un efecto diferente ao dos fotorresistentes ultravioleta profundo e dos fotorresistentes i-line convencionais.
Para o fotoresist ultravioleta profundo, a cocción posterior á exposición elimina os compoñentes protectores do fotoresist, permitindo que o fotoresist se disolva no revelador, polo que é necesario o cocido posterior á exposición;
Para os fotorresistentes i-line convencionais, a cocción posterior á exposición pode mellorar a adhesión do fotorresistente e reducir as ondas estacionarias (as ondas estacionarias terán un efecto adverso sobre a morfoloxía dos bordos do fotoresist).
(4)Desenvolvendo a película dura: usando o revelador para disolver a parte soluble da fotorresistente (fotorresistencia positiva) despois da exposición e mostrar con precisión o patrón de máscara co patrón de fotorresistencia.
Os parámetros clave do proceso de desenvolvemento inclúen a temperatura e o tempo de desenvolvemento, a dosificación e concentración do revelador, a limpeza, etc. Ao axustar os parámetros relevantes no desenvolvemento, pódese aumentar a diferenza na taxa de disolución entre as partes expostas e non expostas do fotorresistente, polo que se pode aumentar. obtendo o efecto de desenvolvemento desexado.
O endurecemento tamén se coñece como cocción de endurecemento, que é o proceso de eliminación do disolvente, revelador, auga e outros compoñentes residuais innecesarios do fotorresistente desenvolvido quentándoos e evaporándoos, para mellorar a adhesión do fotorresistente ao substrato de silicio e a resistencia ao gravado da fotoresistencia.
A temperatura do proceso de endurecemento varía dependendo dos diferentes fotorresistos e dos métodos de endurecemento. A premisa é que o patrón de fotorresistente non se deforma e o fotorresistente debe ser o suficientemente duro.
(5)Inspección de desenvolvemento: Isto é para comprobar se hai defectos no patrón de fotorresistencia despois do desenvolvemento. Normalmente, a tecnoloxía de recoñecemento de imaxes utilízase para escanear automaticamente o patrón do chip despois do desenvolvemento e comparalo co patrón estándar sen defectos previamente almacenado. Se se atopa algunha diferenza, considérase defectuoso.
Se o número de defectos supera un determinado valor, considérase que a oblea de silicio non superou a proba de desenvolvemento e pode ser eliminada ou reelaborada segundo corresponda.
No proceso de fabricación de circuítos integrados, a maioría dos procesos son irreversibles, e a fotolitografía é un dos poucos procesos que se poden reelaborar.
Tres fotomáscaras e materiais fotorresistentes
3.1 Fotomáscara
Unha fotomáscara, tamén coñecida como máscara de fotolitografía, é un mestre usado no proceso de fotolitografía de fabricación de obleas de circuíto integrado.
O proceso de fabricación de fotomáscara consiste en converter os datos de deseño orixinais necesarios para a fabricación de obleas deseñados por enxeñeiros de deseño de circuítos integrados nun formato de datos que poidan ser recoñecidos polos xeradores de patróns láser ou os equipos de exposición de feixes de electróns mediante o procesamento de datos de máscaras, de modo que poidan ser expostos por o equipo anterior sobre o material do substrato da fotomáscara revestido con material fotosensible; a continuación, procesase a través dunha serie de procesos como o desenvolvemento e o gravado para fixar o patrón no material do substrato; finalmente, é inspeccionado, reparado, limpo e laminado con película para formar un produto de máscara e entrégase ao fabricante do circuíto integrado para o seu uso.
3.2 Fotorresistencia
Photoresist, tamén coñecido como fotoresist, é un material fotosensible. Os compoñentes fotosensibles nel sufrirán cambios químicos baixo a irradiación da luz, provocando así cambios na velocidade de disolución. A súa función principal é transferir o patrón da máscara a un substrato como unha oblea.
Principio de funcionamento do fotorresistente: en primeiro lugar, o fotorresistente está revestido sobre o substrato e pre-cocido para eliminar o disolvente;
En segundo lugar, a máscara está exposta á luz, o que fai que os compoñentes fotosensibles da parte exposta sufran unha reacción química;
Despois, realízase unha cocción posterior á exposición;
Finalmente, o fotorresistente disólvese parcialmente mediante o desenvolvemento (para o fotorresistente positivo, a área exposta está disolta; para o fotorresistente negativo, a área non exposta está disolta), realizándose así a transferencia do patrón do circuíto integrado da máscara ao substrato.
Os compoñentes do fotorresistente inclúen principalmente resina formadora de película, compoñente fotosensible, aditivos traza e disolvente.
Entre eles, a resina filmogena utilízase para proporcionar propiedades mecánicas e resistencia ao gravado; o compoñente fotosensible sofre cambios químicos baixo a luz, provocando cambios na velocidade de disolución;
Os aditivos traza inclúen colorantes, potenciadores da viscosidade, etc., que se usan para mellorar o rendemento do fotorresistente; utilízanse disolventes para disolver os compoñentes e mesturalos uniformemente.
Os fotorresists que se usan actualmente pódense dividir en fotoresists tradicionais e fotoresists amplificados químicamente segundo o mecanismo de reacción fotoquímica, e tamén se poden dividir en ultravioleta, ultravioleta profundo, ultravioleta extremo, feixe de electróns, feixe iónico e fotorresistencias de raios X segundo o lonxitude de onda da fotosensibilidade.
Catro equipos de fotolitografía
A tecnoloxía de fotolitografía pasou polo proceso de desenvolvemento da litografía de contacto/proximidade, a litografía de proxección óptica, a litografía de paso e repetición, a litografía de dixitalización, a litografía de inmersión e a litografía EUV.
4.1 Máquina de litografía de contacto/proximidade
A tecnoloxía de litografía de contacto apareceu nos anos 60 e foi moi utilizada na década de 1970. Foi o principal método de litografía na era dos circuítos integrados a pequena escala e utilizábase principalmente para producir circuítos integrados con tamaños de características superiores a 5 μm.
Nunha máquina de litografía de contacto/proximidade, a oblea adoita colocarse nunha posición horizontal controlada manualmente e nunha mesa de traballo xiratoria. O operador usa un microscopio de campo discreto para observar simultaneamente a posición da máscara e da oblea, e controla manualmente a posición da mesa de traballo para aliñar a máscara e a oblea. Despois de que a oblea e a máscara estean aliñadas, as dúas serán presionadas xuntas para que a máscara estea en contacto directo coa fotoresistencia na superficie da oblea.
Despois de retirar o obxectivo do microscopio, a oblea prensada e a máscara móvense á mesa de exposición para a exposición. A luz emitida pola lámpada de mercurio é colimada e paralela á máscara a través dunha lente. Dado que a máscara está en contacto directo coa capa de fotorresistencia da oblea, o patrón da máscara transfírese á capa de fotorresistencia nunha proporción de 1:1 despois da exposición.
O equipo de litografía de contacto é o equipo de litografía óptica máis sinxelo e económico, e pode conseguir a exposición de gráficos de tamaño de función inferior ao micrómetro, polo que aínda se usa na fabricación de produtos en pequenos lotes e na investigación de laboratorio. Na produción de circuítos integrados a gran escala, introduciuse a tecnoloxía de litografía de proximidade para evitar o aumento dos custos da litografía provocado polo contacto directo entre a máscara e a oblea.
A litografía de proximidade foi moi utilizada na década de 1970 durante a era dos circuítos integrados a pequena escala e a primeira era dos circuítos integrados a mediana escala. A diferenza da litografía de contacto, a máscara na litografía de proximidade non está en contacto directo co fotorresistente da oblea, pero queda un oco cheo de nitróxeno. A máscara flota sobre o nitróxeno e o tamaño do espazo entre a máscara e a oblea está determinado pola presión do nitróxeno.
Dado que non hai contacto directo entre a oblea e a máscara na litografía de proximidade, os defectos introducidos durante o proceso de litografía redúcense, reducindo así a perda da máscara e mellorando o rendemento da oblea. Na litografía de proximidade, o espazo entre a oblea e a máscara sitúa a oblea na rexión de difracción de Fresnel. A presenza de difracción limita a mellora da resolución dos equipos de litografía de proximidade, polo que esta tecnoloxía é adecuada principalmente para a produción de circuítos integrados con tamaños de características superiores a 3μm.
4.2 Paso a paso e repetidor
O stepper é un dos equipos máis importantes da historia da litografía de obleas, que promoveu o proceso de litografía submicrónica na produción en masa. O stepper usa un campo de exposición estático típico de 22 mm × 22 mm e unha lente de proxección óptica cunha relación de redución de 5:1 ou 4:1 para transferir o patrón da máscara á oblea.
A máquina de litografía de paso e repetición está composta xeralmente por un subsistema de exposición, un subsistema de fase de peza de traballo, un subsistema de fase de máscara, un subsistema de enfoque/nivelación, un subsistema de aliñamento, un subsistema de cadro principal, un subsistema de transferencia de obleas, un subsistema de transferencia de máscara. , un subsistema electrónico e un subsistema de software.
O proceso de traballo típico dunha máquina de litografía de paso e repetición é o seguinte:
En primeiro lugar, a oblea recuberta de fotorresistente transfírese á mesa de pezas de traballo mediante o subsistema de transferencia de obleas, e a máscara que se vai expoñer transfírese á táboa de máscaras mediante o subsistema de transferencia de máscaras;
A continuación, o sistema utiliza o subsistema de enfoque/nivelación para realizar medicións de altura multipunto na oblea na etapa da peza para obter información como a altura e o ángulo de inclinación da superficie da oblea que se vai expor, de xeito que a área de exposición de a oblea sempre pode controlarse dentro da profundidade focal do obxectivo de proxección durante o proceso de exposición;Posteriormente, o sistema utiliza o subsistema de aliñamento para aliñar a máscara e a oblea de xeito que durante o proceso de exposición a precisión da posición da imaxe da máscara e a transferencia do patrón de obleas estean sempre dentro dos requisitos de superposición.
Finalmente, a acción de paso e exposición de toda a superficie da oblea complétase segundo o camiño prescrito para realizar a función de transferencia do patrón.
A posterior máquina de litografía paso a paso e escáner baséase no proceso de traballo básico anterior, mellorando o paso → exposición á dixitalización → exposición e enfoque/nivelación → aliñación → exposición no modelo de dobre etapa para medir (enfoque/nivelar → aliñamento) e dixitalizar. exposición en paralelo.
En comparación coa máquina de litografía step-and-scan, a máquina de litografía step-and-repeat non precisa realizar unha exploración inversa síncrona da máscara e da oblea, e non require unha táboa de máscaras de dixitalización e un sistema de control de dixitalización sincrónica. Polo tanto, a estrutura é relativamente sinxela, o custo é relativamente baixo e a operación é fiable.
Despois de que a tecnoloxía IC entrou en 0,25 μm, a aplicación da litografía paso e repetición comezou a diminuír debido ás vantaxes da litografía paso a paso na exploración do tamaño do campo de exposición e da uniformidade da exposición. Actualmente, a última litografía de paso e repetición proporcionada por Nikon ten un campo de visión de exposición estática tan grande como o da litografía de paso e dixitalización e pode procesar máis de 200 obleas por hora, cunha eficiencia de produción extremadamente alta. Este tipo de máquina de litografía utilízase na actualidade principalmente para a fabricación de capas IC non críticas.
4.3 Escáner paso a paso
A aplicación da litografía step-and-scan comezou na década de 1990. Ao configurar diferentes fontes de luz de exposición, a tecnoloxía step-and-scan admite diferentes nodos de tecnoloxía de proceso, desde a inmersión de 365 nm, 248 nm e 193 nm ata a litografía EUV. A diferenza da litografía de paso e repetición, a exposición dun só campo da litografía de paso e dixitalización adopta a exploración dinámica, é dicir, a placa de máscara completa o movemento de dixitalización de forma sincronizada en relación á oblea; despois de que se complete a exposición de campo actual, a oblea é transportada pola etapa da peza e pasa á seguinte posición de campo de dixitalización e continúa a exposición repetida; repita a exposición de paso e dixitalización varias veces ata que todos os campos de toda a oblea queden expostos.
Ao configurar diferentes tipos de fontes de luz (como i-line, KrF, ArF), o escáner paso a paso pode soportar case todos os nodos tecnolóxicos do proceso front-end de semicondutores. Os procesos CMOS típicos baseados en silicio adoptaron escáneres paso a paso en grandes cantidades desde o nodo de 0,18 μm; as máquinas de litografía ultravioleta extrema (EUV) que se usan actualmente en nodos de proceso por debaixo de 7 nm tamén usan dixitalización por pasos. Despois da modificación adaptativa parcial, o escáner paso a paso tamén pode soportar a investigación, o desenvolvemento e a produción de moitos procesos non baseados en silicio, como MEMS, dispositivos de alimentación e dispositivos de RF.
Os principais fabricantes de máquinas de litografía de proxección step-and-scan inclúen ASML (Países Baixos), Nikon (Xapón), Canon (Xapón) e SMEE (China). ASML lanzou a serie TWINSCAN de máquinas de litografía de paso e dixitalización en 2001. Adopta unha arquitectura de sistema de dúas etapas, que pode mellorar eficazmente a taxa de saída do equipo e converteuse na máquina de litografía de gama alta máis utilizada.
4.4 Litografía de inmersión
A partir da fórmula de Rayleigh pódese ver que, cando a lonxitude de onda de exposición permanece sen cambios, unha forma eficaz de mellorar aínda máis a resolución da imaxe é aumentar a apertura numérica do sistema de imaxe. Para resolucións de imaxe inferiores a 45 nm e superiores, o método de exposición en seco ArF xa non pode cumprir os requisitos (porque admite unha resolución de imaxe máxima de 65 nm), polo que é necesario introducir un método de litografía de inmersión. Na tecnoloxía de litografía tradicional, o medio entre a lente e a fotorresistencia é o aire, mentres que a tecnoloxía de litografía de inmersión substitúe o medio de aire por líquido (xeralmente auga ultrapura cun índice de refracción de 1,44).
De feito, a tecnoloxía de litografía de inmersión usa o acurtamento da lonxitude de onda da fonte de luz despois de que a luz atravesa o medio líquido para mellorar a resolución, e a relación de acurtamento é o índice de refracción do medio líquido. Aínda que a máquina de litografía de inmersión é un tipo de máquina de litografía de paso e dixitalización e a súa solución de sistema de equipos non cambiou, é unha modificación e expansión da máquina de litografía ArF debido á introdución de tecnoloxías clave relacionadas. á inmersión.
A vantaxe da litografía de inmersión é que, debido ao aumento da apertura numérica do sistema, mellórase a capacidade de resolución de imaxe da máquina de litografía de escáner paso a paso, que pode cumprir os requisitos do proceso de resolución de imaxe inferior a 45 nm.
Dado que a máquina de litografía de inmersión aínda usa a fonte de luz ArF, a continuidade do proceso está garantida, aforrando o custo de I + D da fonte de luz, equipos e proceso. Sobre esta base, combinada con múltiples gráficos e tecnoloxía de litografía computacional, a máquina de litografía de inmersión pódese usar en nodos de proceso de 22 nm e inferiores. Antes de que a máquina de litografía EUV fose posta oficialmente en produción en masa, a máquina de litografía de inmersión fora amplamente utilizada e podería cumprir os requisitos do proceso do nodo de 7 nm. Non obstante, debido á introdución de líquido de inmersión, a dificultade de enxeñería do propio equipo aumentou significativamente.
As súas tecnoloxías clave inclúen a tecnoloxía de subministro e recuperación de líquidos de inmersión, tecnoloxía de mantemento de campos de líquidos de inmersión, tecnoloxía de control de defectos e contaminación da litografía de inmersión, desenvolvemento e mantemento de lentes de proxección de inmersión de apertura numérica ultragrande e tecnoloxía de detección de calidade de imaxe en condicións de inmersión.
Actualmente, as máquinas comerciais de litografía ArFi son proporcionadas principalmente por dúas empresas, a saber, ASML dos Países Baixos e Nikon de Xapón. Entre eles, o prezo dun único ASML NXT1980 Di é duns 80 millóns de euros.
4.4 Máquina de litografía ultravioleta extrema
Para mellorar a resolución da fotolitografía, a lonxitude de onda de exposición acúrtase aínda máis despois de adoptar a fonte de luz excimer e introdúcese luz ultravioleta extrema cunha lonxitude de onda de 10 a 14 nm como fonte de luz de exposición. A lonxitude de onda da luz ultravioleta extrema é extremadamente curta, e o sistema óptico reflector que se pode utilizar adoita estar composto por reflectores de película multicapa como Mo/Si ou Mo/Be.
Entre eles, a reflectividade máxima teórica da película multicapa Mo/Si no intervalo de lonxitude de onda de 13,0 a 13,5 nm é de aproximadamente o 70%, e a reflectividade máxima teórica da película multicapa Mo/Be a unha lonxitude de onda máis curta de 11,1 nm é de aproximadamente o 80%. Aínda que a reflectividade dos reflectores de película multicapa Mo/Be é maior, Be é altamente tóxico, polo que a investigación sobre estes materiais abandonouse ao desenvolver a tecnoloxía de litografía EUV.A tecnoloxía actual de litografía EUV usa película multicapa Mo/Si, e a súa lonxitude de onda de exposición tamén se determina que é de 13,5 nm.
A fonte de luz ultravioleta extrema convencional utiliza a tecnoloxía de plasma producido con láser (LPP), que usa láseres de alta intensidade para excitar o plasma Sn de fusión en quente para emitir luz. Durante moito tempo, a potencia e a dispoñibilidade da fonte de luz foron os pescozos de botella que restrinxen a eficiencia das máquinas de litografía EUV. A través do amplificador de potencia do oscilador mestre, a tecnoloxía de plasma preditivo (PP) e a tecnoloxía de limpeza de espellos de recollida in situ, melloráronse moito a potencia e estabilidade das fontes de luz EUV.
A máquina de litografía EUV está composta principalmente por subsistemas como fonte de luz, iluminación, lente obxectivo, etapa da peza de traballo, etapa de máscara, aliñación de obleas, enfoque/nivelación, transmisión de máscara, transmisión de obleas e cadro de baleiro. Despois de pasar polo sistema de iluminación composto por reflectores revestidos de varias capas, a luz ultravioleta extrema irradiase sobre a máscara reflectora. A luz reflectida pola máscara entra no sistema de imaxe de reflexión total óptica composto por unha serie de reflectores e, finalmente, a imaxe reflectida da máscara proxéctase na superficie da oblea nun ambiente de baleiro.
O campo de visión de exposición e o campo de visión de imaxe da máquina de litografía EUV teñen forma de arco, e utilízase un método de dixitalización paso a paso para lograr a exposición total da oblea para mellorar a taxa de saída. A máquina de litografía EUV da serie NXE máis avanzada de ASML usa unha fonte de luz de exposición cunha lonxitude de onda de 13,5 nm, unha máscara reflectora (incidencia oblicua de 6°), un sistema de obxectivos de proxección reflectante de redución de 4x cunha estrutura de 6 espellos (NA=0,33), un campo de visión de dixitalización de 26 mm × 33 mm e un ambiente de exposición ao baleiro.
En comparación coas máquinas de litografía de inmersión, a resolución de exposición única das máquinas de litografía EUV que usan fontes de luz ultravioleta extrema mellorouse moito, o que pode evitar eficazmente o complexo proceso necesario para que a fotolitografía múltiple forme gráficos de alta resolución. Na actualidade, a resolución de exposición única da máquina de litografía NXE 3400B cunha apertura numérica de 0,33 alcanza os 13 nm e a taxa de saída alcanza os 125 pezas/h.
Para satisfacer as necesidades de ampliación da Lei de Moore, no futuro, as máquinas de litografía EUV cunha apertura numérica de 0,5 adoptarán un sistema de obxectivos de proxección con bloqueo central da luz, utilizando un aumento asimétrico de 0,25 veces/0,125 veces, e o O campo de visión de exposición de dixitalización reducirase de 26 m × 33 mm a 26 mm × 16,5 mm e a resolución de exposición única pode chegar por debaixo 8 nm.
———————————————————————————————————————————————————— ———————————
Semicera pode proporcionarpezas de grafito, feltro suave/ríxido, pezas de carburo de silicio, Pezas de carburo de silicio CVD, ePezas recubertas de SiC/TaCcon proceso de semicondutores completo en 30 días.
Se estás interesado nos produtos de semicondutores anteriores,por favor, non dubide en contactar connosco a primeira vez.
Teléfono: +86-13373889683
WhatsApp: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Hora de publicación: 31-Ago-2024